張友湖 張志國

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

隨著家庭乘用車的普及，住宅小區(qū)停車難的問題日益凸顯。一些較早建設(shè)的居民小區(qū)，由于建造之初，未預(yù)計(jì)到汽車的快速普及，往往沒有建設(shè)地下停車場(chǎng)，地面房屋之間的通道也較為狹窄，通常只容納一輛汽車通過，通道兩邊種有綠化草和樹，如圖1所示。查閱居民小區(qū)停車裝置的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)已有的停車裝置都是以犧牲草地為代價(jià)，且停車時(shí)為直向行駛進(jìn)停車位。為增加小區(qū)停車位，有些小區(qū)物業(yè)不惜毀掉草地和樹木，以滿足停車需求。根據(jù)調(diào)查，本地小區(qū)所種綠化樹大多為樟樹，兩樹間距大多在5米左右，剛好能夠容納一輛家用汽車橫向停放。如果能夠較好地保護(hù)綠化的同時(shí)，合理利用通道兩邊綠化樹間草地上面空間，設(shè)計(jì)出簡易停車裝置，用來停放車輛，可在一定程度增加小區(qū)停車位數(shù)量。

圖1 小區(qū)停車情況

1 側(cè)向平移停車裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)向平移停車裝置總體結(jié)構(gòu)由槽型滑軌組、滑軌滾輪組、停車平臺(tái)、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、地面支撐輪組、電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖2所示。槽型滑軌組由四個(gè)基座固定于兩棵綠化樹之間的草地上，停車平臺(tái)靠通道一側(cè)安裝三組地面支撐輪組，平臺(tái)受四個(gè)車輪承壓處對(duì)稱安裝四組滑軌滾輪，四組滑軌滾輪可在兩根槽型滑軌的軌道內(nèi)來回滾動(dòng)，停車平臺(tái)可由三組地面支撐輪和四組滑軌滾輪的支撐保持水平狀態(tài)。停車平臺(tái)在外力作用下，可依靠地面支撐輪和滑軌滾輪組，沿槽型滑軌來回平行移動(dòng)。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺桿在低速電機(jī)帶動(dòng)下，可進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)停車平臺(tái)沿槽型滑軌來回移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將停放于停車平臺(tái)上的汽車在樹間槽軌和小區(qū)通道之間來回搬運(yùn)的目的。停車平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的兩端極限位置各安裝有行程開關(guān)，以限制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)超程運(yùn)動(dòng)。

圖2 側(cè)向平移停車裝置總體結(jié)構(gòu)

2 停車平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析[1-2]

一臺(tái)家用轎車的質(zhì)量以2000kg計(jì)算，滑軌滾輪組與槽型滑軌之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)約等于0.05，橡膠輪胎與混凝土路面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.018-0.025，螺旋傳動(dòng)摩擦系數(shù)(無潤滑)約為0.18，可通過公式計(jì)算2000kg×0.025×0.18×10N/kg，可得出轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿約需90牛頓的力。

當(dāng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺桿轉(zhuǎn)過角φ時(shí)，螺母沿螺桿的軸向移動(dòng)距離s=l*φ/2πmm，其中l(wèi)為螺距，螺桿導(dǎo)程為10mm，螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，停車平臺(tái)移動(dòng)10mm,停車平臺(tái)寬度為2000mm,從草地停放位置移出到通道，需轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿200轉(zhuǎn)，如在螺桿上加裝轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，可進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿所需的力，但是平臺(tái)進(jìn)出時(shí)間較長，經(jīng)測(cè)算停好汽車約需8分鐘時(shí)間，這顯然超出了現(xiàn)代人快節(jié)奏生活的習(xí)慣。如采用低速電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，可有效解決平臺(tái)移動(dòng)慢的問題。工作電壓為220V的低速電機(jī)自帶減速增扭機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)速在每分鐘300轉(zhuǎn)以內(nèi)，具有免維護(hù)，噪聲低，壽命長的優(yōu)點(diǎn)，適合戶外工作。利用低速電機(jī)作為螺旋傳動(dòng)的動(dòng)力源，平臺(tái)進(jìn)出時(shí)間不超過2分鐘，完成停車過程只需3分鐘左右，基本符合車主對(duì)停車時(shí)間的心理忍受力。

3 側(cè)向平移停車裝置受力分析

側(cè)向平移停車裝置的三維模型是基于Pro/Engineer進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)和制造方便，裝置的框架結(jié)構(gòu)均選用制造材料里的各類常見型材，除支撐輪機(jī)構(gòu)中與地面接觸的滾輪使用塑膠復(fù)合材料，其它零部件均為普通鋼材。進(jìn)行受力分析時(shí)，使用的是ansys workbench分析軟件，ansys分析軟件可以非常快捷地調(diào)用基于Pro/Engineer創(chuàng)建的三維模型，且導(dǎo)入的三維模型無失真現(xiàn)象。在下面使用ansys進(jìn)行各工況受力分析時(shí)，側(cè)向平移停車裝置中地面支撐輪材料選用聚乙烯(Polyethylene)，其它均選用結(jié)構(gòu)鋼(structural steel)。滾動(dòng)滑軌選用的是重型槽軌，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，滾輪組只可沿槽軌作軸線方向滾動(dòng)，其他方向自由度均被限制。停車平臺(tái)由普通型鋼及圓型鋼管焊接而成，四組滾輪與停車平臺(tái)固接，平臺(tái)靠通道側(cè)有三組支撐輪，在平臺(tái)移出泊車時(shí)作為平臺(tái)一側(cè)的支撐。

圖3 槽軌結(jié)構(gòu)

基于ansys workbench的靜態(tài)結(jié)構(gòu)受力分析，分為預(yù)處理和后處理兩部分，其中預(yù)處理由模型導(dǎo)入、設(shè)置零部件材料、劃分網(wǎng)格、施加約束、施加載荷等幾部分組成；后處理則包含分析計(jì)算、查看分析結(jié)果等兩部分。

從側(cè)向平移停車裝置工作過程可以看出，需進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)受力分析的工況主要有三種：

(1)停車平臺(tái)移出泊車時(shí)，汽車前輪通過坡道壓到平臺(tái)的工況，簡稱工況1；

(2)停車平臺(tái)移出泊車時(shí)，汽車停上平臺(tái)的工況，簡稱工況2；

(3)停車平臺(tái)泊好車，返回處于草地之上的槽軌后的工況，簡稱工況3。

3.1 工況1的受力分析

工況1為停車平臺(tái)移出泊車，前輪通過坡道接觸到平臺(tái)時(shí)，停車裝置的受力過程。在ansys workbench導(dǎo)入模型、添加材料、網(wǎng)格劃分、施加載荷、施加約束。由于是汽車剛進(jìn)入平臺(tái)，故載荷只施加在停車平臺(tái)的一邊橫梁上，汽車兩前輪對(duì)平臺(tái)橫梁施加的載荷大小各為5000N。此工況有兩種約束，一為固定約束(Fixed support),施加給固定地面的四個(gè)基座，另一種為壓緊約束(Compression only support)，為支撐輪與地面之間的約束，施加于支撐輪。完成載荷及約束施加之后，便進(jìn)入計(jì)算(Solution)階段，通過解答(Solve)，可得出等效應(yīng)力(Equivalent Stress)云圖、等效彈性(Equivalent Elastic Strain)應(yīng)變?cè)茍D及總體變形(Total Deformation)云圖。從圖4應(yīng)力云圖可以看出，工況1最大應(yīng)力為140MPa，發(fā)生在平臺(tái)左側(cè)與槽軌滾輪接觸處，遠(yuǎn)小于相應(yīng)厚度普通鋼板的最大許可強(qiáng)度應(yīng)力[3]，總體變形量也在可承受范圍之內(nèi)。

圖4 工況1應(yīng)力云圖

3.2 工況2的受力分析

工況2為停車平臺(tái)移出停好車之后的情況，導(dǎo)入Pro/ENGINEER三維模型,設(shè)置材料數(shù)據(jù)、網(wǎng)格(Mesh)劃分，再施加載荷和約束。當(dāng)汽車停上停車平臺(tái)之后，各車輪均勻分布車身的重量，4個(gè)車輪與平臺(tái)的接觸位置各施加5000N的集中力，約束同工況1。經(jīng)過解答(Solve)和計(jì)算(Solution)處理之后，最大應(yīng)力為181MPa，小于材料的最大許用應(yīng)力[3]，最大許用應(yīng)力發(fā)生在平臺(tái)外側(cè)承受車輪垂直壓力的地面支撐輪與平臺(tái)接觸處。工況2應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 工況2應(yīng)力云圖

3.3 工況3的受力分析

工況3為停車平臺(tái)泊好車，平臺(tái)通過低速電機(jī)由螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)送回固定槽軌之后的工作狀態(tài)，此工況為側(cè)向平移停車裝置的工作工況，是車輛回小區(qū)之后，較長時(shí)間停放狀態(tài)。與工況2相比，只施加了四個(gè)固定基座的固定約束(Fix Support)，地面支撐輪的壓緊約束(Compression only support)無需施加。最后通過計(jì)算得出應(yīng)力云圖，最大強(qiáng)度應(yīng)力為52MPa。工況3的側(cè)向平移停車裝置的網(wǎng)格圖、載荷及約束施加圖、應(yīng)力云圖等如圖6、圖7、圖8所示。

4 結(jié)語

側(cè)向平移停車裝置初始設(shè)計(jì)方案采用的是全人工手動(dòng)方式，由駕駛員下車搖動(dòng)手柄，再由螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)平臺(tái)平移進(jìn)出，經(jīng)試制的1:2側(cè)向停車裝置模型試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)泊車過程時(shí)間過長，且女性長時(shí)間搖動(dòng)手柄，較為困難，長期使用，超出車主對(duì)停車時(shí)間的心理承受能力。使用低速電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)進(jìn)出比手搖柄更加便捷，但仍存在啟動(dòng)電源開關(guān)時(shí)的上下車問題。在后續(xù)的改進(jìn)方案中，可以在驅(qū)動(dòng)電機(jī)處增加控制模塊，由手機(jī)控制電機(jī)的啟停，以達(dá)到取車或停車過程中，駕駛員不用多次上下車，從而實(shí)現(xiàn)較為自動(dòng)化的停車。經(jīng)過測(cè)算，使用低速電機(jī)作為動(dòng)力源的單個(gè)側(cè)向平移停車裝置，材料、制作及人工成本可控制在3000元以內(nèi)，適合在類似小區(qū)推廣。

圖6 工況3網(wǎng)格圖

圖8 工況3應(yīng)力云圖